Beton merupakan salah satu mater ial yang paling banyak digunakan dalam dunia konstruksi sekarang ini. Be ton secara umum terdiri dar i dua ba gian utama. Bahan pertama adalah bahan matriks yang berfungsi sebaga i pengika t antar material ( ) namun matriks juga member ikan sumbangan kekuatan. Karena apabila campuran bahan ini tidak terdapat dalam kandungan beton maka be ton tersebut tidak akan memiliki kekuatan sama sekali. Bagian yan g kedua adalah bahan inklusi. Bahan inklusi mer upakan agrega t yang digunakan dalam be ton baik a gregat kasar berupa batu-batuan pecah dan juga agregat halus berupa pasir.
Material penyusun beton secara umum terdari dari dua bagian , yaitu matriks dan inklusi. Beton yan g sering digunakan di proy ek konstruks i terdiri dari pasta semen seb agai pengika t dan agregat sebagai inklusi. Namun, s eiring dengan perke mbangan perkembangan teknologi, bagian matriks dan inklusi dapat dibuat
BAB II
LANDASAN TEO RI
2.1. BETON
2.1.1. Material Penyusun Beton adhesive
berpengaruh pada karakteristik beton. Semakin bagus agrega t yan g digunakan, maka akan lebih memberikan kekuatan pada beton. Kriteria Agregat bergant ung pada karak teristik – karak teristik di bawah ini :
Berdasarkan ukurannya, agregat dibedakan menjadi:
a] Agregat halus ( ) diameter 0–5 mm disebut pasir, yang dapat dibedakan lagi menjadi:
Pasir halus: 0 – 1 mm Pasir kasar: 1 – 5 mm
b] Agregat kasar ( ) diameter > 5 mm, biasanya berukuran antara 5 hingga 40 mm, disebut kerikil.
Oleh karena bentuknya yang bervar iasi, agregat diklasif ika sikan bentuk men jadi bulat, lonjong, pipih atau kubikal. Bentuk yan g paling baik dalam pembuatan be ton a dalah kubika l, karena bentuk ini memiliki kekuatan yang lebih besar dari bentuk yang pipih dan akan saling mengu nci a ntar agregat ( ). Namun bentuk kubikal akan mempersulit pekerjaan, karena kemampuan mengalir ( ) yang ren dah.
Secara visual dapat dibedakan menjad i kasar, halus, rata atau bergelomba ng. Tekstur yang kasar akan memberikan pengikatan yang lebih baik oleh semen, hal ini disebabkan karena luas permukaan yang lebih besar pada agregat bertekstur kasar
Berat jenis dibedakan menjadi beberapa tipe berdasarkan kondisinya. Kon disi tersebut adalah kering oven ( ), kering permukaan ( ), kering udara dan kondisi basah. Biasanya pada pekerjaan beton digunakan kondisi (1) (2) (3) (4) Ukuran Agregat fine aggregate coarse aggregate Visual Bentuk interlocking flowability
Visual Tekstur Permukaan
Berat Jenis dan Absorpsi
oven dry saturated surface dry
§ §
Ø Ø
kering permuk aan karena pada saat pencampuran pasta semen akan diserap masuk oleh per mukaan agregat, namun karena ba gian dalam agregat terisi air maka penyerapan air tidak berleb ihan. Ha l ini ak an memperkuat ikatan antar agregat.
. [1]
Kadar Air pada Agregat[1]
Material pengikat yang sering diguna kan pada beton konstruksi secara umum adalah semen. Namun tidak menuntut kemung kinan adanya penggunaan material pengikat lain selain sem en.
Semen ini dibuat dengan menghaluskan kalsium silikat yang bersifat hidrolis dan dicampur bahan gips. Pe mbakaran pada tungku dapat mencapai 6000° C dan men ghasilka n CO2sebagai hasil samping pe mbakaran.
Semen adalah b ahan hidro lis yang dapat bereaksi secara kim ia dengan a ir, Gambar 2.1
Gambar 2.2
Shape of Agregate
Proporsi air yang sedikit pa da beton akan memberikan kekuatan yang tinggi pada beton, sebaliknya kadar air yang ber lebihan akan menguran gi kekuatan beton. Namun faktor kadar air akan sangat berpengaruh dalam ke mudahan pekerjaan beton. Semakin encer beton akan semakin mudah dikerjakan, dan sebaliknya semakin sedikit kadar air maka beton akan semak in sukar dikerjakan. Sifat ini digambarkan oleh workab ilitas .
Proporsi air dinyatakan dalam rasio a ir-semen( ), yaitu an gka yang menyatakan perbandingan antara bera t air (kg) diba gi berat semen (kg) dalam campuran beton.
Kualitas air yang digunakan juga harus baik, yaitu terlepas dar i kadar garam yang tinggi, da n material organik yang dapat merusak beto n seperti a lka li. Dalam beton air berfungsi sebagai campuran untuk membuat bahan pengikat, yaitu melalui bereaksi dengan semen.
Untuk mempermuda h penggunaan dan pengerjaan beton, banyak pihak telah melakukan pene litian terhadap karakteristik be ton serta fak tor-faktor yang mempengaru hinya. karakteristik tersebut, yan g akan dijabarkan di ba wah ini.
Beton dapat menahan kuat tekan hingga 80 Mpa, namun pada umumnya kuat tekan beton berkisar antara 40 Mpa. Besarnya kuat tekan beton bergant ung pada komposisi material penyusunnya, jumlah kadar air ser ta kualitas pe madatannya.
Kuat tekan dari be ton dipengaruhi oleh beberapa fakt or, yaitu:
Mempengaruhi kekuatan rata-rata dan kuat batas beton.
Penggunaan agregat akan menghasilkan beton dengan kuat desak maupun tarik lebih besar daripada penggunaan kerikil halus dari sun gai.
2.1.1.3. Air
water-cemen t ratio
2.1.2.1. Kuat Tekan
(1) Jen is semen dan kualitasnya .
(2) Jen is dan lekak-lekuk bidang permukaan agregat. 2.1.2. Karakteristik Beton
Kehilangan sampai 40 % dapat terjadi bila pengeringan dilakukan sebelum wa ktunya.
Pada umumnya kecepatan pengerasan beton bertambah den gan bertambahnya suhu. P ada titik beku (0° C) kuat tekan akan tetap rendah pada waktu yang lama .
Pada keadaan normal, kekuatan beton akan bertambah seiring den gan bertambahnya umur. Kecepatan pertambahan kekuatan tergantung pada jenis semen. Misalnya semen dengan kadar alumina tinggi menghasilkan beton dengan kuat tekan pad a 24 jam s etara de ngan kuat tekan semen portland pada 28 hari.
Kuat tarik beton umumnya adalah sekitar seperdelapan kuat tekan pada wak tu masih muda, dan berkisar antara seperduapuluh kuat tekan sesudahnya[2]. Kua t tarik berperan penting da lam menahan retak-retak akibat perubahan kadar air dan suhu. Namun dalam perhitungan desain, biasanya kuat tarik hanya men yumban gkan sedikit sumban gsih terhadap gaya tar ik dan digantikan fungsinya den gan menggunakan penulan gan pada daerah tarik.
Bila beton dibebani, perubahan bentuk sering terjadi dan b ertambah sesuai dengan pertambahan beban. Beton berubah bentuk sebagian mengikuti regangan elas tis dan sebagian mengalami regan gan plastis atau rangkak ( ). Sebagaimana digambark an berikut:
(3) Kualitas dari pe rawatan (curing).
(4) Suhu ikat.
(5) Umur.
2.1.2.2. Kuat Tarik
2.1.2.3. Regangan
Pada bahan beton, kurva ditunjukkan oleh kurva OB. Pada waktu beban ditiadakan s uatu benda uji beton telah ditekan sampai titik B, k emudian regangan elas tis menghilang, tetapi regangan plastis tetap dan diperlihatkan oleh OX. Pengaruh dar i beban yang berulang-ulang diperlihatkan juga dimana perubahan bentuk akibat rega ngan plastis XY, YZ yan g berkurang pada tiap pengulan gan beban, meskipun jumlah perubahan bentuk a tau rayapan OX, OY, OZ akan terus menerus bertambah.
Rangkak adalah perubahan ben tuk yang non-elastis dibawah suatu pe mbebanan tetap dalam waktu tertentu. Rangkak diduga disebabkan oleh penutupan pori-pori dalam, aliran dari pasta semen, pergerakan kristal di dalam agregat, dan ter jadinya penekanan air dari gel semen karena adanya tekanan.
.
Penyusutan pada beton adalah var iasi volume akibat faktor struktur beton mau pun lingkungan seperti suhu. Terdapat bermacam susut yang terjadi pada be ton, diantaranya : (akibat reaksi kimia semen pada be ton), (akibat penguapan air pada saat reaksi hidrolisis berlangsung cepat), dan (akiba t perubahan suhu lingkungan).
Penyusutan yang berlebihan dapat menyebabkan retak pada beton. Retak-retak rambut pada beton akan menjad i celah bagi zat lua r untuk masuk. Hal ini men yebabkan korosi pada tulangan logam yang terkena proses oksidasi.
2.1.2.4. Rangkak (Creep)
Elastic and Creep Strain 2.1.2.5. Susut (Shrinkage)
Autogenous Shrinkage Drying Shrinkage
Thermal Shrinkage Gambar 2.4
Untuk mengetahui besarnya kekuatan beton, maka per lu dilaku kan pengujian laboratorium kuat tekan beton. Pengujian kuat tekan beton pada laboratorium dapat menggunakan sample berupa sample silinder atau samp le kubus. Dari hasil percobaan tersebut maka kita bisa membuat kurva tegangan-rega ngan beton.
Kelakuan dari be ton struktural dapat diwakili o leh hubungan tegangan-rega ngan parabolik sampai ke sebuah tegangan-regan gan , dari titik mana regangan men ingkat sedangkan tegangan tetap konstan . Regangan dispesifikasikan sebagai suatu fungsi dari kekuatan karakter istik beton (f ), begitu pula dengan modu lus tangens pada permulaan. Teganga n rencana ultimit dapat ditentukan dengan persamaan 45 , 0 5 , 1 67 , 0 67 , 0 ...
Diman a faktor sebesar 0,67 menyesuaikan perbedaan antara kekuat an lentur dan kekuatan hancur kubus dari beton, dan =1,5 adalah faktor keama nan pars ial yang biasa untuk kekuatan beton apabila merencanakan bagian konstruksi yang dicor setempat. Regangan ultimit sebes ar 0,0035 adalah st andar untuk semua mutu beton.
2.1.3. Hubungan Tegangan-Regangan Beton
(2.1) eo eo cu cu cu m cu f f f ?m = = γ
Kur va tegangan-regangan rencana jangka pendek beton
Modulus elas tisitas beton dirumuskan sebagai ber ikut : ' 33 5 , 1 ... Dimana : = Bera t jenis bet on (lb/ft3)
= Kuat tekan silinder beton (psi) 1 lb/ft3= 16,02 kg/m3
1 ps i = 0,00689 N/mm2
Persamaan 2.2 berlaku untuk nilai antara 90 dan 155 lb/ft3. Untuk beton dengan berat normal, Ec umumnya bernilai 570 00vfc’ psi atau sama den gan 4730vfc’
N/mm2. Gambar 2.5. (2.2) EC fc w Ec w fc’ w =
Kurva tegangan-regangan silinder b eton denga n pembebanan berupa penekanan uniaxial.
Pada gambar 2.6 diperlihatkan kurva tegangan-regangan berbentuk parabola untuk silinder beton yang diberi pembebanan berupa penekanan satu arah (unaxial) selama beberapa menit. Kurva yang hampir linier terbentuk hingga tegangan beton mencapai setengah dari mak simumnya. Pada beton mutu tinggi, puncak kurva yan g terbentuk relatif leb ih tajam, sedangkan pada beton mutu rendah puncak kurva yang terbentuk lebih datar . Nilai regangan yang berkorelasi dengan tegangan maksimum diperkirakan sebesar 0,002. Pada regangan yang lebih besar tegangan masih dapat ditahan walaupun retak pararel pada arah pe mbebanan mulai tampak pada beton.
Sebe lum mencapai tegangan maksimum, bentuk kurva tegangan-regan gan tergantung dar i kuat tekan beton. Kurva yang umum digunakan berbentuk parabola berderajat dua. Ku rva tersebut merupakan kurva tegangan-regan gan oleh Hognestad . Kurva diperluhatkan pada gambar 2.7 dimana adalah tegangan maksimum beton.
Gambar 2.6.
Idealisasi kur va tegangan-regangan beton dengan pembebanan berupa penekanan uniaxial.
Berdasarkan beberapa penelitian yang telah dilakukan, terdapat pula beberapa model kurva hubungan tega ngan-rega ngan lainnya. Kurva Chan (gambar 2.8) menjelaskan garis OAB ad alah kurva untuk beton tanpa sengkang dan garis BC merupakan kurva yang bergantung pada karakteristik sengkang. Kurva yang ha mpir sama dengan Kurva Chan adalah Kurva Blume. Dimana garis OA merupakan kurva untuk beton tanpa sengkang hingga mencapai 0,85 dan garis ABC tergantung pada mut u dan tegangan leleh sengkan g.
Kurva tegangan-regangan C han dan Blume
Kurva Baker berbentuk parabola hingga mencapai tegangan maksimum. Bagian dari kurva ini tergantung pada gradien regangan penampang. Kemudian kurva dilanjutkan dengan garis horizontal yang juga tergantung pada gradien rega ngan dan mut u sengkang.
Gambar 2.7.
Gambar 2.8.
Kurva tegangan-regangan Baker
Kurva Ro y dan Sozen sedikit be rbeda dengan Kurva Baker. Dimana Roy dan Sozen menyarankan untuk mengganti bagian kurva yang menurun dengan garis lurus h ingga mencapai regangan tertentu pada tegangan 0,5 , secara line ar dipe ngaruhi oleh mut u sengkang.
Kurva tegangan-regangan Roy dan Sozen
Kurva Soliman dan Yu terdiri dari sebuah parabola dan dua garis lurus dimana tegangan dan regangan pada titik kritis dipen garuhi oleh mutu sengkang, jarak sen gkang dan luas daerah yang ditahan sengkang.
Gambar 2.9
Gambar 2.10.
Kurva tegangan-regangan Soliman dan Yu
Kurva Sargin menunjukkan persamaan umum hubungan tegangan-rega ngan berupa kurva menerus, dipengaruhi oleh mutu baja, jarak antar sengkang, kuat leleh sengkang, gradien regangan penampang dan kekuatan beton.
Kurva tegangan-regangan Sar gin
Kurva Kent d an Park meru pakan kurva yang meng kombinas ikan beberapa parameter yang diperhitung kan dalam model-model yang telah diajukan sebelumnya.
Kurva tegangan-regangan Kent dan Park Gambar 2.11.
Gambar 2.12.
Kurva Desayi dan Krishnan merupakan salah satu kurva yang memiliki persamaan yang pa ling berhasil. Persam aan kurva Desayi dan Krishnan adalah
2 0 1 ……… Dimana : e = regangan = regangan maksimum s = tegangan = Modulus tangensial 0 max . 2 + = ε ε ε σ ε σ = E e0 E E (2.3)
lingkungan yaitu mengurangi produksi CO2sebagai has il samping pr oduksi semen
portland. Selain itu, diharapkan akan dapat ditemukan beton baru yang memiliki karakteristik lebih baik d ar i beton yang telah ada.
Bahan matriks yang akan dibuat pada penelitian ini adalah geopolimer , yang selama 30 tahun terakhir telah banyak dilak ukan penelitian. Ba han geopolimer pertama kali diperkenalkan oleh Joseph Davidovit s. Karakteristik dari be ton geopolimer ber macam-macam ter gantung dari bahan pembentuk
geopolimern ya, diantaranya : , , dan lainnya.
Davidovits (1988) memperkenalkan istilah pada tahun 1978 sebagai gambaran bahwa mineral polymer tersebut adalah hasil ilmu geok imia. Geopolimer , suatu polimer alumina-silika anorganik, dibentuk dari s ebagian besar unsur s ilikon (Si) dan aluminium (Al). Komposisi kimia dari material geopolymer adalah serupa dg zeolit, tetapi geopolimer memiliki [3]. Sepanjan g proses sintes ifikasi, silika dan aluminium digabun g untuk membentuk blok ban gunan, yang secara kimiawi dan struktural dapat dibandingkan dengan ikatan batu alam.
Banyak literatu r tersedia tentang mater ial ini sehubungan dengan pasta geopolimer. Da vidovits dan Sawyer (1985) menggunakan
untuk menghasilkan produk geopolimer. Mereka mematenkan produk mereka dengan d idokumen tasikan ke dalam jurnal i lmiah di AS de ngan judul
. Sebagai tambahan, suatu mortar semen siap pakai, dimana hanya perlu tambahan campuran air untuk men ghasilkan material yang tahan lama dan cepat me ngeras, telah diproduksi dan dimanfaatkan pada renovasi airport baik untuk landasan pacu, landsan hubung, dan apron, pada pembangunan jalan raya dan geladak jembatan, dan untuk beberapa konstruksi ketika kekuatan awal beton yang besar sangat diperlukan.
Geopolimer telah digunakan pula untuk menggantikan polimer organ ik sebagai suatu zat adhesive untuk memperkuat struktur. Geopolimer ditemukan
fly ash blast furnace slag pozzo lan
‘geopolymer’
amorphous microstructure
ground balst furnace slag
Early High
-Strength Mineral Polymer Was Used As A Supplementary Cementing Material In
The Production Of Precast Concrete Products 2.2.1. Sejarah Beton Geopolimer
untuk menjadi material tahan api dan bersifat awet tahan lama di bawah sinar UV[4].
Van Jaarsveld, van Deventer , dan Schartzman (1999) melakukan eksperimen tentang geopolimer s menggunakan dua jenis . Mereka menemuk an bahwa kuat tekan geopolimer setelah 14 hari adalah sekitar 5- 51 MPa. Faktor yang mempengaruhi kuat tekan itu adalah saat proses pencampuran bahan dan komposisi kimia dari . Senyawa CaO yang lebih tinggi akan men gurangi porositas dar i mikro-struktur, dan meningkatkan kuat tekan. Di samping itu, rasio perbandingan air : juga mempengaruhi kekuatan material. Jika rasio air : lebih sedikit, hal ini akan meningkatkan kekyatan tekan dari material.
Palomo, Grutzeck , dan Blanco (1999) mempelajari pengaruh temperatur, wak tu dan rasio laru tan a lka li : pada kekuatan tekan material geopolimer. Dilaporkan bahwa faktor temperatur dan waktu perawatan mempengaruhi kekuatan tekan material geopolimer tersebut. Penggunaan larutan sodium hidroksida (NaOH) dan larutan sodium silikat (Na2Si3) merupakan solusi da lam
men ghasilkan kekuatan tekan yan g paling tinggi. Kuat tekan dapat mencapai hingga 60 MPa jika di- pada suhu 85° C selama 5 jam.
Xu dan van Deventer (2000) meneliti pro ses geopolimer isasi dari 15 unsur alami Al-Si. Telah ditemukan bahwa mineral de ngan tingkat disolusi yang tinggi akan menghasilkan kuat tekan lebih baik setelah proses polimerisa si. Persentase dari ka lsium dioks ida (CaO) , kalium dioks ida (K2O), rasio molar itas Si-Al pada
jenis larutan alkali da n ras io molar itas Si/Al di da lam laru tan alkali selama f ly ash fly ash fly ash fly ash fly ash curing fly ash,
Van Jaarsveld, van Deventer dan Lukey (2002) mempelajari hubungan timba l balik dari berbaga i parameter yang mempengaruhi kekuatan material geopolimer berbahan dasar . Mereka melaporkan bahwa properti material geopolimer dipengaruhi oleh proses disolusi yang tida k sempurna. Jumlah air, wak tu dan temperatur masa mempengaruhi properti mater ial geopolimer , khususnya faktor temperatur saat di- mempengaruhi kuat tekan material tersebut. Ketika benda uji di- pada suhu 70° C selama 24 jam, terjadi sua tu peningka tan kuat tekan. untuk suatu periode yang leb ih lama justru men gurangi kuat t ekan material.
Palomo et. al (2004) menyelid iki ka rak teristik mekanis dari beton geopolimer berbahan dasar . Ditemukan bahwa karakteristik material kebanyakan diten tukan oleh metode , terutama fak tor waktu dan temperature masa .
Material polimer anorganik alka li aluminosilikat dapat disintesis (dibuat) dari prekursor yang mengandung alumina dan silika berkonsentrasi tinggi. Prekursor adalah bahan utama dalam pemb entuk polimer . Prekursor tersebut dapat berupa mineral alami ataupun limbah industri. Unsur – unsur kimia di da lam prekurs or bila dicampur dengan larutan alkali sebagai aktiva tor, akan men ghasilkan material pas ta geopolimer dengan kekuatan mengikat seperti pas ta semen. Prekursor dan aktivator akan b ersintesa membentuk material padat melalui proses polimerisasi, diman a proses polimerisasinya yang ter jadi adalah disolusi dan diikuti dengan proses polikondensasi.
Proses sintesis tersebut terba gi atas proses aktivasi bahan alumina-silika oleh ion alkali dan proses untuk mendorong ter jadinya polimerisasi dari mono mer alumina-silika menjadi stru ktur jaringa n molekul tiga-dimensi. Kesempurnaan dari polimerisasi, sedemikian hingga stuktur dan properti dari polimer anorganik telah tersintes is, tergantung pada proses aktivasi dan proses ikat. fly ash curing curing curing Curing fly ash curing curing curing
Hal penting yang berkaitan dengan sintesis polimer anorganik adalah derajad polimer isasinya, dimana hal ini menentukan formasi struktur dan sedemikian hingga menentu kan karakteristik akhir dari benda uji. Sebagaimana dijelaskan oleh persamaan polimer di bawah :
2 . 2
dimana :
M : elemen alk ali n : derajat polimerisasi z : 1, 2, dan 3
- : simbol ikatan
Dalam hal penggunaan material polimer sebagai bahan pengikat pada be ton, maka hal yang per lu diperhatikan adalah ikatan yang dihasilkan an tara material polimer dengan agregat ( ). Ikatan tersebut dapat berupa ikatan mekanis ataupun ikatan kimia. Ikatan kimia dapat pula terjadi apabila matriks yang digunakan adalah polimer, wa laupun sebagaimana kita ketahui bahwa mineral agrega t akan bersifat tidak reaktif pada beton semen. Selain memberikan ikatan, mater ial polimer juga diharapkan memberika n sumbangan kekuatan pada be ton.
Dalam penelitian ini ak an dibuat geopolimer alkali aluminosilikat yang berasal dari prekursor yang mengandung alumina dan silika den gan aktivator larutan alkali-silikat.
(
)
− − − − z Mn Si O Al O n wH O interface (inert) 2.2.2.1. Prekursorini dian taranya adalah , abu terbang ( ), serbuk granit dan lumpur merah ( ). Dalam penelitian ini akan digunakan abu terbang
) sebagai material prekursor. De ngan menggunakan proses rekayasa, bahan men tah aluminos ilikat tersebut dapat disintesis menjadi geopolimer .
Aluminosilikat da lam bentuk butiran kaca ( ) dapat bers ifat sebagai pengikat ketika diaduk dengan aktivator, yang biasanya berupa larutan alkali-silikat. Sebagai bahan pengikat untuk beton, geopolimer alkali aluminos ilika memiliki perbedaan dengan semen portland, baik dalam mek anisme pengikatan juga dalam sifat teknis ( ) produk akhir.
Seba gaimana telah dijelaskan di atas, aktivator dibutuhkan untuk reaksi polimerisa si mon omer alumina dan silika. Alkali menga ktifkan prekursor dengan men disolusikan mereka ke dalam monomer [SiO4] dan [AlO4]. Selama proses
curing, monomer – monomer tadi terko ndensasi dan membentuk jar ingan polimer tiga-dimen si yang ber ikatan silan g. Ion alkali ber tindak sebagai penetral muatan ( ) untuk tiap molekul tetrahedron [AlO4].
Larutan sodium silikat ( ) adalah aktivator yang secara umum digunakan karena mudah didapat dan ekonomis. Oleh karena itu dalam pen elitian ini ak an digunakan sodium silika t dan sodium hidroksida. Penambahan aktivator sodium hidroksida ber tujuan untuk menambah ion Na+pada proses polimer isasi.
Kandungan sodium silikat menyediakan kation berikatan-valens i-satu ( ) [Na+] sebaga i spesies aktivator dimana ion resiprokal-nya, Si4+, adalah komposisi utama geopolimer. Sodium silika t terlarut dalam air, men yediakan lingkunga n reaksi cairan-padatan yang ideal untuk pencernaan dan pe larutan material prekursor.
blast furnace slag fly a sh
red mud (fly
ash
metastable glassy form
engineering properties 2.2.2.2. Aktivator
charge balancer
waterglass
Sintesa geopolimer aluminosi lika t membutuhkan dua konstituen utama da lam reaksi pencampuran, yaitu: prekursor yang kaya akan kandungan Al dan Si dengan larutan alkali-silikat sebagai ac tivator.
Geopolymer dapat berupa salah satu dari 3 bentuk formula di baw ah ini[3]: Poly (sialate) , formula monom er [-Si-O-Al-O-]
Poly (sialate-siloxo), formula monomer [-Si-O-Al-O-Si-O-]
?
Poly (sialate-disiloxo), formula monomer [-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-]
Reaksi kimia yang terjadi pada proses polimerisasi terbagi dalam 3 tahapan[5]. Ketiga tahap di bawah ini dapat saling be rgantian dan ter jadi bersamaan , membuat ini menjadi sulit ditelaah secara terpisah[6]. 3 tahap proses polimerisasi ter sebut adalah :
(1) disolusi atom Si dan Al dari sumber material prekursor disebabkan oleh ion hidroksida
(2) penguraian ion prekursor menjadi mon omer
+ +
2 5 2 2 2 2 3 3
2
n Si O . Al O + 2 nSiO + 4 nH O+ NaOH KOH Na . K + n(OH) - Si- O- Al- O- Si- (OH)
(OH)
(3) polikonden sasi dari monomer – monomer menjadi struktur polimer
+ +
2
3 3
n OH - Si- O- Al- O- Si- OH + NaO H KOH (N a . K ) - (- Si- O- Al- O- Si- O -) + 4 nH O 2.2.3. Proses Polimerisasi
§ § §
( sialate = silicon-oxo-aluminate, siloxo = silicon-oxo )
or
or
(
)
→Proses Pembuatan Pasta Geopolimer
Beton geopolimer adalah beton yang terbuat dari material geopolimer sebagai matriks dan mineral agregat sebagai inklusi. Seperti halnya beton semen portland pada umumnya, penggunaan agregat berfungsi dalam memberika n sumbangan kekuatan yang terbesar pada beton. Agregat yan g digunakan pada be ton pada umumnya memiliki gradasi yang menerus, mulai dari agregat berukuran 37.5 mm sampai 0.15 mm. Hal ini bertujuan agar terjad i komposisi yang padat pada saat beton telah mengeras. Agreg at dengan ukuran kasar (
) adalah proporsi yan g terbanyak dalam beton, diikuti den gan agregat
halus ( ).
Fungsi agregat kasar adalah sebagai penyusun kekuatan, sedangkan agregat halus lebih berfungs i sebagai pengisi ruang kosong. Dalam praktek, agregat halus bekerja dengan bahan matriks membentuk suatu mortar yang melingku pi selur uh permuka an agrega t kasar dan memberikan sifat
an tara inklusi lainnya.
Fungsi agregat halus sangatlah pen ting dalam mengurangi void pada be ton, pada beberapa kasus dapat digunakan juga material pen gisi ( ) yang berukuran mikron seperti . Dengan terisinya pori-pori pada beton, maka ke mungkinan rangkak dapat dikurangi.
Prekursor Aktivator
MIXING
Ion Aluminat Monomer Silikat
POLIKONDENSASI Pasta Geopolimer Aluminosilikat H2O DISOLUSI DISOLUSI
+
+
Gambar 2.15.2.2.4. Karakteristik Beton Geopolimer
coarse aggregate fine aggregate adhesive filler fly ash
Beton adalah mater ial yang disusun dari matriks dan inklusi. Ba han matriks berfungsi sebagai bagi material inklusi, sehingga membentuk ikatan an tara agregat kasar dengan pasta matriks . Ikatan yang terjadi antara matriks dan inklusi dapa t bersifat mekanis at aupun kimia.
Pada beton semen, pasta semen bercampur dengan pasir membentuk mortar. Mortar inilah yang mengisi void antar agregat kasar sembari men yelimutinya. Agregat kasar yang baik digunakan untuk beton adalah yang memiliki pe rmukaan kasar dan bentuk kubika l, agregat yang seperti ini akan saling men gunc i ( ) sehingga menyusun kekuatan yang lebih besa r.
Pada beton dengan gradasi agre gat yang baik, terdapat keseimba ngan antar jumlah agrega t halus dengan agregat kasar. Namun bagaiman apun juga, keseimban gan tersebut bergant ung pada beberapa faktor, seperti ukuran mak simum par tikel, bentuk par tikel, kandungan semen, metode pemadatan dan kehalusan dari pa sir.
Dalam ran gka membuat pendekatan secara numerik, sebuah analisa sederhana ten tang struktur internal mak ro beton keras dibuat dengan melakukan pengamatan terhadap ikatan ( ) an tara lapisan mortar dengan agregat kasar . Semakin besar gradasi rataan agregat, semakin kecil ika tan yang terjadi, tergantung pada tebal se limut mor tar yang menyelimuti partikel agregat.
Ikatan mortar ( ) dapat diukur dengan metode 2.2.4.1. Ikatan Matriks-Inklusi
adhesive
Ikatan Mekanis
interlocking
intercepts
mortars intercepts linear
4. Pengukuran ini dijumlahkan dan dibuat rataan.
5. Angka rataan tersebut dinamakan ikatan mortar rata-rata ( )
Berdasarkan pada hasil pengu jian di dap at beberapa kesimpulan, yaitu: 1. Ikatan mo rtar rata-rata minimum p ada beton umu m (beton dengan agregat
kasar dan halus yang bergradasi kontinu dan dengan kandungan semen menen gah) adalah 3.5 mm.
2. Kriteria ini dianggap valid, bukan hanya untuk beton dengan batu pecah, tapi juga untuk agregat alami. Lebih lanjut kriter ia ini tampaknya bersifat independen terhadap ben tuk partikel agregat.
Ikatan mekanis yang ter jadi pada struktur internal beton semen dapat pula terjad i pada beton geopolimer, mengingat material geopolimer bersifat
Ikatan yang dihasilka n oleh geoplimer akan sanga t berpengaruh pada kekuat an be ton.
Beberapa parameter yang berkaitan den gan penyusunan kekuatan mekan ik be ton geopolimer adalah sebagai be rikut :
Kemampuan geopolimer mengikat agre gat kasar.
Kemampuan geopolimer memasuki void antar agregat dan membuat
selimut agregat ( )
Kemampuan geopolimer ( ) dalam menahan tekanan dan tarikan/lentur
Pada beton semen , walaupun mineral agregat bersifat tidak reaktif ( ), terkadang terdapat kandungan subs tansi yang berbahaya bagi beton apab ila hadir da lam kadar yang ber lebihan. Substansi tersebut dinamakan material perusak
( ). average mortar intercep ts adhesive. interception ability inner strength Ikatan Kimia inert deleterious material § § § (2)
Material perusak sering muncul pada partikel yang lebih kecil dar i saringan No. 200. Kandungan maksimum yang diperbolehkan tergantung pada tujuan penggunan beton, komposisi perusak, dan tergantung pada kehadiran penggangu apakah terdispersi dalam agregat (sebagai gumpalan atau menyelimuti agregat). Pada beton semen, salah satu reaksi kimia yang timbul adalah an tara material perusak (yang terdapat pada agregat) dengan alkali se men portland dalam kelembaban tertentu. Reaksi seperti ini dapat menyebabkan keretakan ( ) pada beton melalui ekspansi yang berlebihan. Retak ini disebabkan oleh pengemba ngan atau ekspansi gel yang mengandung sodium dan potassium silika. Ekspansi yang dihas ilkan pada beton dapat melebihi 0.5 % dan retak dapat selebar 25 mm. Kasus yang sering terjadi adalah reaksi alka li-silika, ketika semen bereaksi den gan partikel be rsilika.
Ekspansi in i dapat dicegah atau dikurangi de ngan beberapa cara. Misalnya dengan menggunakan semen dengan kandungan alkali rendah , atau dengan men ggantikan sejumlah semen dengan pozolan. Secara umum, reaksi kimia perusak ( ) yang terjadi adalah antara alka li semen.
Pada beton geopolimer , reaksi polimerisasi adalah polikondensasi membentu k aluminosilikat. Apabila dibandingkan dengan reak si perusak di atas, maka proses polimerisasi geopolimer memiliki ke miripan, dimana sejumlah Si dan Al ter disolusi dengan alkali aktiva tor membentuk monomer-monomer. Monomer-monomer tadi akan terkondendasi membentuk jaringan tetrahedral -Si-O-Al-O-Si- dan -Si-O-Si-.
Oleh sebab mineral agregat bersifat tidak reaktif, maka dapat dibuat cracking
Kekuatan mekanis yang akan dibahas pada penelitian ini adalah kuat tekan dan kuat tar ik. Kekuatan mekanis tersebut disusun oleh material geopolimer dan mineral agregat. Beberapa hal yang yang mempengaruhi kekuatan beton keras dian taranya : ke kuatan agrega t, kekuatan geopolimer, susunan agregat, serta ikatan geopolimer den gan agregat.
Faktor penting yang mempengaruhi kekuatan mekanis beton geopolimer dian taranya suhu ika t, waktu ika t, tipe alkali ak tivator, kadar air dan jumlah relatif Si, Al, dan Na.
Semak in lama waktu ikat dan semakin tinggi suhu ikat akan memperkuat kuat tekan dari beton, walaupun pada beberapa penelitian kenaikan kuat tekan tidak siginif ikan untuk suhu ikat diatas 60°C dan waktu ika t lebih dari 48 jam. Kua t tekan geopolimer berbahan dasar yang diperkeras pada suhu 60°C dan waktu ika t 24 jam adalah sekitar 60 Mpa[7].
. Pengaruh suhu ikat terhadap kuat tekan
Beberapa eksperimen mengenai geopolimer berbahan dasar
menemuk an bah wa rasio molar H2O dengan Na2O pada campuran adalah
parameter signifikan yang mempen garuhi k uat te kan beton. Kenaikan ras io molar H2O/Na2O menyebabkan turunnya kuat tekan. Namun sama halnya dengan beton
semen, kondisi ini member ikan workabilitas yang baik. Sebagai catatan, total kandungan air dalam beton geopolimer adalah massa air yang terkandung pada 2.2.4.2. Kekuatan Mekanis
Suhu Ikat dan Waktu Ikat
fly ash Kadar Air fly ash (1) (2) Gambar 2.16
larutan alkali-aktivator (sodium silikat dan sodium hidroksida) ditambah dengan massa air ekstra.
Pengaruh kadar air terhadap kuat tekan
Jumlah Si, Al dan Na dalam hal ini berpengaruh pada jumlah dan kerapatan monomer yang terkondensasi. Semakin rapat mon omer yan g terbentuk, maka akan semakin padat beton geopolimer , sehingga men ingkatkan kuat tekan.
Jenis alkali aktivat or berpen garuh dalam proses disolusi, apabila tidak terdapa t cukup grup OH maka tangan monomer berinti-Si ak an sedikit, sehingga akan meng urangi kemung kinan terjadinya ikatan dengan kation Al3 +.
Beton semen memiliki sifat rapuh terhadap serangan kimia sebagaimana mineral ag regat yang dikandungnya. Biasanya seran gan yang terjadi a dalah reaksi yang menyerang kalsium-hidroksida bebas pada beton selama fase hidrasi semen portland. Sebagai contoh, serangan oleh sulfat yang terkandung dalam air atau
Gambar 2.17. (3)
(4)
Jumlah Si, Al, dan Na
Jen is alkali activator
minggu. Setelah diber i perlakuan tersebut, tercatat tidak terdapat perubahan yang signifikan pada kuat tekan, massa dan dimens i.
Beberapa peneliti lain menyeb utkan bahwa geopolimer berbahan metakaolin tetap stab il dan tidak menunjukkan tanda-tanda pemburukan pada struktur mikro dan kekuatan, setelah direndam dalam air laut ASTM, sodium sulfat (4.4 % mas sa) dan larutan asam su lfur (0.001 M) dalam 9 bulan.
Baja lebih banyak digunakan dalam konstruksi beton bertulang dikarenakan oleh sifatnya yang mampu menahan gaya tarik. Kurva tegangan-rega ngan rencana jangka pendek yang mewakili, un tuk tulangan ditunjukkan oleh gambar 2.17. Di dalam tarikan, kekuatan rencana adalah kekuatan karak teristik ( ) dibagi dengan faktor keamanan parsial (?m), tetap i di da lam tekanan kekuatan
rencana dikurangi sampai ke harga yang sesuai dengan regangan sebesar 0,002 yang berhubungan dengan standar tegangan beton puncak dan juga menyesuaikan ke mungkinan melekuknya batang tulangan. Berhubung hubungan tegangan-rega ngan adalah linear maka besarnya tegangan dan tegangan-regangan pada setiap titik dapat ditentukan.
Kurva tegangan-regangan rencana jangka pendek untuk tulangan 2.3. BAJA
Gambar 2.18.
Jadi 6 1 10 4 200000 8 , 0 ... dan 6 2 10 5 002 , 0 200000 002 , 0 ...( )
Tegangan dan re gan gan baja
Untuk keperluan perencanaan dan mempermudah perhitungan, hubungan tegangan-regangan tulangan b aja perlu dimod elkan menjadi ben tuk kurva tertentu. Hub ungan tersebut disederhanakan menjad i bentuk kurva tegangan-regangan biline ar (dua garis lurus), diperlihatka n pada gambar 2.18(a). kurva ini men gabaikan adanya tegangan leleh atas dan penambahan tegan gan ak ibat strain hardening. Penyederhanaan ini umumnya cukup akurat untuk baja yang memiliki
m y m y f f Young Modulus tegangan regangan m y m y f f regangan γ γ ε − × = × = = γ γ ε − × + = × + = (2.4) 2.5 Tabel 2.1
dengan kurva tegangan-regangan yang diperlihatkan pada gambar 2.18(b) dan 2.18 (c).
Idealisasi kur va tegangan-regangan baja ak ibat pembebanan tarik dan tekan. (a) Kurva bilinear, (b) Kurva trilinear, (c) Kurva len gkap .
Analisa penampang balok beton bertulang dilakukan dengan empat asumsi dasar sebagai berikut :
Gambar 2.19.
2.4. ASUMSI DASAR ANALISA PENAMPANG BALOK BETON BERTULANG
1. penampang datar sebelum men galami lentur akan tetap datar setelah mengalami len tur.
2. kurva tegangan-regangan b aja diket ahui
3. kuat tar ik beton diasumsikan 10 % dari kuat tekannya
4. kurva tegan gan-regangan beton yan g menggambarkan besar dan distribu si tega ngan tekan diketahui.
Asumsi pe rtama sesuai dengan prinsip Bernoulli yang men yatakan bahwa rega ngan longitudinal beton dan baja pada berbagai titik di sepanjang penampang sebanding dengan jaraknya dari garis netral. Sebagian besar pengujian beton bertulang menunjuk kan bahwa asumsi ini sanga t mendekati kebenaran pada beberapa tahap pembebanan hingga mencapai keruntuhan lentur. Ha l ini men unjukkan adanya ika tan yang bak an tara beton dan baja. Pada daerah tekan be ton, asumsi ini cuku p akurat.
Asumsi ked ua mengartikan hubungan tegangan-regangan tulangan baja terdefinisi deng an baik. Umumny a hubungan tersebut diasumsikan berupa kurva tegangan-regangan yang mengabaikan adanya
Penambahan kekuatan ak ibat adanya berhubungan dengan deformasi batas yang sanga t besar pada struktur.
Asumsi ketiga mengartikan besarnya kuat tarik beton diperhitung kan na mun besarnya hanya 10 % dar i kuat tekan beton.
Asumsi keempat mengartikan kurva hubungan tegangan-regangan beton dike tahui dengan jelas. Serta menge tahui jenis kurva hubungan tegangan-rega ngan yang akan digunakan. Asumsi ini diperlukan untuk mengetahui perilaku penampang yang sebenarnya. Seberapa besar gaya tekan yang dapat ditahan oleh
bilinear stra in hardening.
Untuk melakukan analisa fiber model pada balok beton bertulang, diperlukan teori-teori dasar hubungan tegangan-regangan beton dengan sengkang ba ja persegi dan hubungan tegangan-regangan baja. Hubungan tegangan-regangan tersebut dimodelkan men jadi be ntuk k urva tertentu seperti sudah dijelaskan p ada sub-bab sebelumnya.
Dalam menganalisa penamp ang ba lok beton geopolimer ini den gan men ggunakan metode fiber model, digunakan teori-teori dasar hubungan tegangan-regangan dari material baik beton dan juga baja. Untuk me nggambarkan hubungan tegangan-regangan beton, digunakan model Kurva Kent dan Park. Sedangkan untuk hubungan tegangan-regangan baja kurva yang diguna kan merupakan idealisasi kurva
Pada analisa menggunakan metode fiber model ini, penampang balok dian ggap dibagi menjadi beberapa lapisan-lapisan yang pararel terhadap sumbu momen lentur. Pembagian elemen kedalam serat-serat ini dipen garuhi oleh nilai kurvatur (f ) dan asumsi jarak terhadap sumbu netral yang berubah-ubah dimulai dari serat atas penampang. Berdasarkan teori Bernoulli, distribus i re gangan dapat ditentukan dari nilai kur vatur (f ). Hubungan tersebut dapat diny atakan sebagai berikut :
.
0 ... Dimana : = Regangan d ar i material beton atau baja
= Nilai kurvatur
= Jarak sumbu netral ke serat atas
Nilai distribusi tega ngan setiap material dapat ditentukan setelah diketahui nilai rega ngan baja dan regangan beton berdasarkan nilai kurvatur yang ditentukan sebelumn ya. Ber dasarkan distribusi teganga n, gaya dalam dan momen untuk masing-masing material yang bekerja pada balok dapat ditentukan sebagai berikut :
Gaya ...
2.6. ANALISA PENAMPANG BALOK BETON BERTULANG
GEOPOLIMER DENGAN METODE
(2.6) (2.7) FIBER MODEL. bilinear.
b
e
ne
nf
0 bdx
f
F
n nϕ
=
∫
=
Momen
.
...Perhitungan gaya pada analisa fiber model bertujuan untuk menentukan nilai kur vatur serta garis netral yang memenuhi kondisi ke seimbangan gaya. Dimana jumlah gaya akibat gaya tekan dan gaya tarik adalah nol.
0
...Bila kondisi seimban g telah tercapai, maka besarnya momen untuk suau nilai kur vatur dapat ditentukan berdasarkan gaya-gaya yang bekerja pada balok dika likan denga n jarak gaya tersebut terhadap garis netral.
Apabila momen telah diketahui besarnya, nilai momen tersebut diplot dengan nilai kurvatur sehingga dapat dibuat kurva hubungan antara momen dan kurvatur.
Pada perencanaan penampang balok beton geopolimer, terdapat tiga ke mungkinan pola keruntuhan akibat lentur yang ter jadi, yaitu :
1. atau keruntuhan tekan, yaitu suatu keadaan dimana beton lebih dulu mencapai tegangan maksimum dibandingkan ba ja tulang an tarik belum mencapai tegangan leleh.
2. atau kondisi keruntuhan tarik. Kondisi dimana tulang an baja lebih dulu mencapai tegangan leleh, sedangkan beton belum mencapai tegangan maksimumnya.
3. yaitu suatu kondisi dimana keruntuhan terjadi bersamaan ketika beton mencapai tegangan mak simumnya dan baja
